人才强校 | 李云开教授团队与密西根州立大学刘建国院士团队合作揭示农产品贸易远程耦合系统中的实体和虚拟养分流动格局与溢出效应

4月26日,中国农业大学水利与土木工程学院李云开教授团队在《自然·通讯》(Nature Communications)在线发表了题为《农产品贸易远程耦合系统中的实体和虚拟养分流Physical and virtual nutrient flows in global telecoupled agricultural trade networks)的研究论文,揭示农产品贸易远程耦合系统中的实体和虚拟养分流动格局,并首次量化了远程耦合系统中的溢出效应。

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在全球化进程不断加深的背景下,国家与地区之间的联系日益紧密,形成了复杂的资源环境远程耦合世界。农产品贸易网络通过贸易流及其伴生的农业资源要素物质流已成为最为典型的远程耦合系统(图1),产生了一系列跨地区、多尺度的社会-经济-环境影响,已经成为氮、磷等养分在全球范围内迁移的载体和通道。本研究定量分析了1997-2016年间全球221个国家、320种农产品贸易、27819条贸易路线的实体和虚拟氮磷养分流动格局,建立了耦合系统溢出效应的概念与量化方法,提出通过发送-接收效应辨识养分流的耦合效应,讨论了耦合系统对资源环境的影响。

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图1 农产品贸易远程耦合系统氮磷养分流组分与效应

研究结果表明全球养分流总量在研究时间范围内持续增加,实体氮、磷养分分别由10.3 Tg和1.4 Tg增加至27.1 Tg和3.5 Tg,虚拟氮、磷养分则由13.4 Tg和8.9 Tg增加至36.6 Tg和24.5 Tg,全球有48个国家或地区实体养分流出量增长超过10倍。实体养分最大净接收系统主要分布在亚洲,而净发送系统主要在美洲,发送系统聚集效应显著,前10和前20净发送系统分别贡献超过70%和90%,中国养分流入量和增长量最多,实体氮磷养分流入分别增加了6.98倍和6.27倍。

由于转口贸易的存在,贸易进出口国和生产者/消费者之间并不完美匹配,本研究引入贸易溯源回归方法(Kastner et al, 2011; MacDonald et al, 2015),消除了再出口贸易对发送-接收系统的干扰,实现了远程耦合系统溢出效应的量化(图1 d&e)。2016年全球实体氮溢出效应达到3.81 Tg,实体磷溢出效应达到1.23 Tg,最大的实体和虚拟氮溢出效应出现在德国-荷兰贸易的1.37 Tg和中国-美国贸易的7.56 Tg,小麦、玉米、油菜籽和大豆是溢出效应最大的4种农产品,均超过100 Gg。

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图2 虚拟氮、磷养分流的效率和主要低效流的空间分布

各国养分利用效率的差异产生了发送-接收的正、负耦合效应,进而导致养分流的节约和浪费。2016年虚拟氮、磷的总耦合效应分别为62.3 Tg和73.9 Tg,正耦合效应仍占据主导,这意味着贸易在全球范围内节约了大量的养分资源。但全球氮的负耦合效应流达到了8883条,集中在欧洲和亚洲内部,磷共有8054条,集中在亚非和亚欧之间(图2)。通过对比实体氮进口和实体磷出口、虚拟氮出口和虚拟磷出口辨别了资源和环境风险的主导地位(图3),并探讨了通过技术升级提高养分利用效率、调整膳食结构、减少低效出口等减少全球养分浪费的政策建议。本研究对了解全球实体和虚拟养分流动格局以及在全球范围内提高养分利用效率具有重要意义。

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图3 考虑氮污染和磷短缺的资源和环境风险主导地位

中国农业大学水利与土木工程学院李云开教授团队博士后陈修之和硕士侯玥为文章的共同第一作者,李云开教授与密西根州立大学刘建国院士为共同通讯作者。这是该团队关于远程耦合系统中物质流及其环境影响的第二篇在《Nature Communications》上发表的研究论文,首篇论文《Impacts of irrigated agriculture on food–energy–water–CO2 nexus across metacoupled systems》以南水北调与北粮南运耦合巨系统为例,探讨了灌溉农业对水-能源-食物-碳排放纽带的影响,被评选为期刊2020年度Earth and Environmental Science领域最受欢迎TOP 50文章。

水利与土木工程学院刘浏副教授,团队博士生尹拓、韩思齐、Tahir Muhammad等参加了相关工作,该研究还得到了国家自然科学基金和博士后国际交流项目等的资助。

原文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-023-38094-4

供稿:水利与土木工程学院

供图:水利与土木工程学院

编辑:李杨

责编:马文哲

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